天然气水合物开采的土力学问题:现状与挑战
发布时间：2022-02-09 05:26
有效确定含天然气水合物（以下简称水合物）沉积物的工程力学特性并厘清其随水合物分解过程的变化规律,是实现水合物安全、高效开采的前提和保证。为此,围绕水合物开采过程所涉及的关键土力学问题,从物理力学特性的关键测试技术、沉积物的力学特性、含水合物沉积物的物理力学模型、水合物开采过程土力学多场耦合数值模拟等方面,分析和评述了国内外最新相关研究现状、存在的缺陷与不足,进而探讨了上述研究方向未来的发展趋势。结论认为,尽管经过20多年来的发展,有关水合物开采的理论、方法和技术均取得了显著的进展,但从岩土力学的角度来看,目前仍然面临着以下挑战:①大尺度含水合物沉积物试样的人工制备;②含水合物沉积物微细观组构的精细探测与定量表征;③组构变化对含水合物沉积物力学特性的影响机理与规律;④开采扰动下,流沙发生的条件及对储层稳定性的影响机制;⑤开采扰动下,多相多组分含水合物储层的多过程耦合问题;⑥水合物分解/生成条件下,含水合物沉积物的本构响应;⑦有关水合物开采过程数学模型的适定性问题;⑧高效稳定的水合物开采过程数值模型的全耦合解法。
【文章来源】：天然气工业. 2020,40(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
含水合物土直剪仪的结构示意图[56-57]
小应变刚度指的是应变为10-5～10-8情况下试样的变形模量或剪切模量，声波探测是研究试样小应变刚度的有效方法。Lee等[81]在砂土、粉土和黏土中形成THF水合物，通过测试试样的P波和S波研究了小应变刚度特性。其试验结果表明，含水合物沉积物的P波和S波受水合物饱和度、有效应力和沉积物比表面积的影响显著。由于水合物的胶结和填充作用，含水合物沉积物的小应变体积模量和剪切模量会随着水合物增大呈现明显的上升趋势[82-84]。Pries等[84]采用“富气法”和“富水法”分别制备含水合物砂土试样，发现两种试样显示明显不同的波速响应。对于“富气法”形成试样，水合物主要起到胶结作用，少量的水合物就可以明显提高含水合物沉积物的刚度；而“富水法”形成试样，水合物主要填充于孔隙中，只有当水合物达到一定含量时，水合物赋存模式从填充型转变为持力体型，含水合物沉积物的刚度才能得以提升。这一结论在Choi等[34,82]所进行的实验室中也得到了验证。可见，水合物含量及赋存模式对沉积物的小应变（10-5～10-8）刚度具有显著的影响[9-11,85]。基于水合物含量及赋存模式对含水合物沉积物试样的小应变刚度的影响机制，研究人员针对于不同水合物赋存模式建立了预测含水合物沉积物波速的理论模型，通过测定剪切波速、压缩波速与水合物饱和度关系来综合判别沉积物中水合物的赋存模式[86-87]。这种水合物赋存模式的识别方法目前已得到一定程度的应用[34,88-90]。
近年来，Wei[96]基于多孔材料的连续介质理论建立了能考虑骨架与孔隙溶液之间复杂物理化学作用的多相岩土介质化学—力学耦合理论，并提出了能考虑渗透、毛细管、吸附等效应的孔隙溶液各组分化学势的一般数学表达式。在此基础上，Zhou等[97]建立了能够考虑复杂物理化学效应的水合物相平衡方程，该方程给出了平衡温度偏移量与毛细管吸力和盐溶液浓度的关系，揭示了沉积物持水特性与相平衡条件的内在联系。结合所提出的相平衡方程和沉积物的持水特征曲线，进而提出了水合特征曲线（SHCC）的概念，即含水合物沉积物中液态水含量与平衡温度偏移量的关系曲线。在p—T—w三维空间中（w为液态水含量），SHCC描述了沉积物中水合物的相边界。如图3所示，对于任意指定的水合物沉积物，在平衡时含水合物沉积物中的温度、压力和液态水之间存在唯一关系，这与实验观测结果是完全一致的。该模型克服了传统水合物相平衡模型不能预测任意平衡的温度和压力下沉积物中液态水含量问题，不仅形式简单（没有涉及微观参数），而且还能综合考虑盐分、毛细管以及物理化学吸附的影响。3.2 含水合物沉积物水力模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]含水合物泥质粉细砂三轴试验及本构模型[J]. 杨周洁,周家作,陈强,万义钊,韦昌富,孟祥传. 长江科学院院报. 2020(12)
[2]沉积物中天然气水合物生成过程的二维电阻层析成像观测[J]. 李彦龙,孙海亮,孟庆国,刘昌岭,陈强,邢兰昌. 天然气工业. 2019(10)
[3]天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型[J]. 祝效华,孙汉文,赵金洲,张烈辉,张爽. 石油学报. 2019(09)
[4]多功能水合物沉积物三轴试验系统的研制与应用[J]. 周家作,韦昌富,魏厚振,杨周洁,李力昕,李彦龙,丁根荣. 岩土力学. 2020(01)
[5]基于扰动状态概念的含水合物土弹塑性模型[J]. 邹远晶,韦昌富,陈合龙,周家作,万义钊. 岩土力学. 2019(07)
[6]不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系[J]. 颜荣涛,张炳晖,杨德欢,李杨,陈星欣,韦昌富. 岩土力学. 2018(12)
[7]考虑沉积物孔隙毛细效应影响的宏观相平衡模型[J]. 颜荣涛,牟春梅,张芹,田慧会,周家作,韦昌富. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(03)
[8]粉土中二氧化碳水合物分解过程的核磁试验研究[J]. 田慧会,韦昌富,颜荣涛,陈合龙. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(03)
[9]CT图像法观测不同粒径多孔介质中水合物分布[J]. 李晨安,李承峰,刘昌岭,邢兰昌. 核电子学与探测技术. 2018(04)
[10]气饱和含CO2水合物砂的三轴压缩试验[J]. 陈合龙,韦昌富,田慧会,魏厚振. 岩土力学. 2018(07)
博士论文
[1]天然气水合物地层井壁稳定性研究[D]. 宁伏龙.中国地质大学 2005
本文编号：3616449
【文章来源】：天然气工业. 2020,40(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
含水合物土直剪仪的结构示意图[56-57]
小应变刚度指的是应变为10-5～10-8情况下试样的变形模量或剪切模量，声波探测是研究试样小应变刚度的有效方法。Lee等[81]在砂土、粉土和黏土中形成THF水合物，通过测试试样的P波和S波研究了小应变刚度特性。其试验结果表明，含水合物沉积物的P波和S波受水合物饱和度、有效应力和沉积物比表面积的影响显著。由于水合物的胶结和填充作用，含水合物沉积物的小应变体积模量和剪切模量会随着水合物增大呈现明显的上升趋势[82-84]。Pries等[84]采用“富气法”和“富水法”分别制备含水合物砂土试样，发现两种试样显示明显不同的波速响应。对于“富气法”形成试样，水合物主要起到胶结作用，少量的水合物就可以明显提高含水合物沉积物的刚度；而“富水法”形成试样，水合物主要填充于孔隙中，只有当水合物达到一定含量时，水合物赋存模式从填充型转变为持力体型，含水合物沉积物的刚度才能得以提升。这一结论在Choi等[34,82]所进行的实验室中也得到了验证。可见，水合物含量及赋存模式对沉积物的小应变（10-5～10-8）刚度具有显著的影响[9-11,85]。基于水合物含量及赋存模式对含水合物沉积物试样的小应变刚度的影响机制，研究人员针对于不同水合物赋存模式建立了预测含水合物沉积物波速的理论模型，通过测定剪切波速、压缩波速与水合物饱和度关系来综合判别沉积物中水合物的赋存模式[86-87]。这种水合物赋存模式的识别方法目前已得到一定程度的应用[34,88-90]。
近年来，Wei[96]基于多孔材料的连续介质理论建立了能考虑骨架与孔隙溶液之间复杂物理化学作用的多相岩土介质化学—力学耦合理论，并提出了能考虑渗透、毛细管、吸附等效应的孔隙溶液各组分化学势的一般数学表达式。在此基础上，Zhou等[97]建立了能够考虑复杂物理化学效应的水合物相平衡方程，该方程给出了平衡温度偏移量与毛细管吸力和盐溶液浓度的关系，揭示了沉积物持水特性与相平衡条件的内在联系。结合所提出的相平衡方程和沉积物的持水特征曲线，进而提出了水合特征曲线（SHCC）的概念，即含水合物沉积物中液态水含量与平衡温度偏移量的关系曲线。在p—T—w三维空间中（w为液态水含量），SHCC描述了沉积物中水合物的相边界。如图3所示，对于任意指定的水合物沉积物，在平衡时含水合物沉积物中的温度、压力和液态水之间存在唯一关系，这与实验观测结果是完全一致的。该模型克服了传统水合物相平衡模型不能预测任意平衡的温度和压力下沉积物中液态水含量问题，不仅形式简单（没有涉及微观参数），而且还能综合考虑盐分、毛细管以及物理化学吸附的影响。3.2 含水合物沉积物水力模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]含水合物泥质粉细砂三轴试验及本构模型[J]. 杨周洁,周家作,陈强,万义钊,韦昌富,孟祥传. 长江科学院院报. 2020(12)
[2]沉积物中天然气水合物生成过程的二维电阻层析成像观测[J]. 李彦龙,孙海亮,孟庆国,刘昌岭,陈强,邢兰昌. 天然气工业. 2019(10)
[3]天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型[J]. 祝效华,孙汉文,赵金洲,张烈辉,张爽. 石油学报. 2019(09)
[4]多功能水合物沉积物三轴试验系统的研制与应用[J]. 周家作,韦昌富,魏厚振,杨周洁,李力昕,李彦龙,丁根荣. 岩土力学. 2020(01)
[5]基于扰动状态概念的含水合物土弹塑性模型[J]. 邹远晶,韦昌富,陈合龙,周家作,万义钊. 岩土力学. 2019(07)
[6]不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系[J]. 颜荣涛,张炳晖,杨德欢,李杨,陈星欣,韦昌富. 岩土力学. 2018(12)
[7]考虑沉积物孔隙毛细效应影响的宏观相平衡模型[J]. 颜荣涛,牟春梅,张芹,田慧会,周家作,韦昌富. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(03)
[8]粉土中二氧化碳水合物分解过程的核磁试验研究[J]. 田慧会,韦昌富,颜荣涛,陈合龙. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(03)
[9]CT图像法观测不同粒径多孔介质中水合物分布[J]. 李晨安,李承峰,刘昌岭,邢兰昌. 核电子学与探测技术. 2018(04)
[10]气饱和含CO2水合物砂的三轴压缩试验[J]. 陈合龙,韦昌富,田慧会,魏厚振. 岩土力学. 2018(07)
博士论文
[1]天然气水合物地层井壁稳定性研究[D]. 宁伏龙.中国地质大学 2005
本文编号：3616449
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